特開 2024-42725 ワイヤレス給電用受電装置の整合回路

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024042725

(43)【公開日】2024-03-29

(54)【発明の名称】ワイヤレス給電用受電装置の整合回路

(51)【国際特許分類】

   H02J 50/05 20160101AFI20240322BHJP

   B60L 53/12 20190101ALI20240322BHJP

   B60L 5/00 20060101ALI20240322BHJP

   B60M 7/00 20060101ALI20240322BHJP

【ＦＩ】

H02J50/05

B60L53/12

B60L5/00 B

B60M7/00 X

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022147487

(22)【出願日】2022-09-16

(71)【出願人】

【識別番号】000206211

【氏名又は名称】大成建設株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】304027349

【氏名又は名称】国立大学法人豊橋技術科学大学

(74)【代理人】

【識別番号】110002077

【氏名又は名称】園田・小林弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】遠藤 哲夫

(72)【発明者】

【氏名】崎原 孫周

(72)【発明者】

【氏名】新藤 竹文

(72)【発明者】

【氏名】大平 孝

(72)【発明者】

【氏名】水谷 豊

【テーマコード（参考）】

5H105

5H125

【Ｆターム（参考）】

5H105AA17

5H105BA09

5H105BB05

5H105CC02

5H105CC19

5H105DD10

5H105EE15

5H125AA01

5H125AC04

5H125AC12

5H125AC25

5H125FF15

(57)【要約】

【課題】給電効率を低下させることなく小型化、軽量化することが可能な、ワイヤレス給電用受電装置の整合回路を提供する。
【解決手段】第１の受電電極１７ａと第２の受電電極１７ｂとに接続して設けられる電動車両に搭載するワイヤレス給電用受電装置の整合回路１であって、複数の金属製棒状体１９と、金属芯にリング状の複数のフェライトコアを数珠状に取り付けた複数の第１のコイルユニット２１と、を備え、前記複数の金属製棒状体１９と、前記複数の第１のコイルユニット２１とは、長さ方向の向きを揃えて平行に整列配置され、その端部を電気的に直列となるように接続されてインピーダンスを形成する。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の受電電極と第２の受電電極とに接続して設けられる電動車両に搭載するワイヤレス給電用受電装置の整合回路であって、
複数の金属製棒状体と、
金属芯にリング状の複数のフェライトコアを数珠状に取り付けた複数の第１のコイルユニットと、を備え、
前記複数の金属製棒状体と、前記複数の第１のコイルユニットとは、長さ方向の向きを揃えて平行に整列配置され、その端部を電気的に直列となるように接続されてインピーダンスを形成する、ワイヤレス給電用受電装置の整合回路。

【請求項2】

前記複数の金属製棒状体と、前記複数の第１のコイルユニットとは、相互に交換可能に配置される、請求項１に記載のワイヤレス給電用受電装置の整合回路。

【請求項3】

銅線をリング状のフェライトコアに巻き付けた第２のコイルユニットを備える、請求項１または２に記載のワイヤレス給電用受電装置の整合回路。

【請求項4】

前記複数の金属製棒状体と前記複数の第１のコイルユニットと前記第２のコイルユニットとを含む回路は、前記第１の受電電極側と前記第２の受電電極側とで対称に配置されている、請求項３に記載のワイヤレス給電用受電装置の整合回路。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ワイヤレス給電用受電装置の整合回路に関する。

【背景技術】

【0002】

電気自動車（ＥＶ）やロボットなどの移動体には、その移動時に、高周波電源（直流から高周波に電力を周波数変換する装置）に接続した送電電極と、移動体に搭載した受電電極との間に発生する電界のエネルギーによって電力をワイヤレスで移動体に給電する無線給電（ワイヤレス給電）を採用しているものがある。このような電界結合方式の無線給電の場合、高周波電源と送電電極間の送電側整合回路および受電電極と整流回路間の受電側整合回路によって無線給電システム全体のインピーダンスを最適化し、伝送効率の向上を実現する必要がある。

【0003】

また、整合回路を含む受電装置を取付ける移動体が公道を走行する自動車の場合、最低地上高の確保が課題となる。国土交通省が定める「道路運送車両保安基準の細目を定める告知〈第３節〉第１６３条」では、「全面における地上高は９ｃｍ以上」と規定されている。市販の小中型ＥＶの最低地上高は例えば１４ｃｍ～１５ｃｍ程度であり、省令を遵守するには、移動体底部に取付ける受電装置は、厚み５ｃｍ程度に薄くする必要がある。この薄型化の課題に加え、機器の能力や搭載性の観点から小型化、軽量化することが要求されている。

【0004】

特許文献１には、受電側整合回路部と共振回路部とが、送電側装置に設けられた無線給電システムが開示されている。この無線給電システムでは、共振回路部において、送電電極部と受電電極部との間の電気的な容量、および一対の送電電極部の相互間における容量を打ち消し、送電電極部と受電電極部との間を、電気的に等価な伝送経路とすることを実現している。すなわち、特許文献１では、受電側の整合回路を送電側装置に設けることによって、受電側装置の小型化、軽量化が図られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０２１－０４５０１３号公報

【特許文献2】特開２０１６－０５８８３９号公報

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】居村岳広 他，“非接触電力伝送用メアンダラインアンテナの提案”，2008年電子情報通信学会通信ソサイエティ大会，2008年9月，B-9-1

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

特許文献１に記載の無線給電システムでは、送電電極部と受電電極部との間の電気的な容量は、送電電極部と受電電極部の間の距離、電極周囲の空間や材料の電気定数（誘電率・透磁率など）が一定の条件であれば想定した一定の値となるが、実際は、電極間距離や環境の違いによって、変動する。したがって、この共振回路部によってのみで打ち消されることはなく、想定した等価的な伝送経路とみなすことができないため、伝送効率が低下する恐れがある。また、特許文献１に限らず、移動体に搭載する受電側装置は、コイル素子およびコンデンサ素子といった能動素子で構成されている。このため、受電する電力が増大すると能動素子が大型化する。特にコイル素子は電力の増加に伴って磁気飽和を招くことから特に大型化が顕著となる。

【0008】

本発明は、上述した実情に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、給電効率を低下させることなく小型化、軽量化することが可能な、ワイヤレス給電用受電装置の整合回路を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明の整合回路は、第１の受電電極と第２の受電電極とに接続して設けられる電動車両に搭載するワイヤレス給電用受電装置の整合回路であって、複数の金属製棒状体と、金属芯にリング状の複数のフェライトコアを数珠状に取り付けた複数の第１のコイルユニットと、を備え、前記複数の金属製棒状体と、前記複数の第１のコイルユニットとは、長さ方向の向きを揃えて平行に整列配置され、その端部を電気的に直列となるように接続されてインピーダンスを形成する。

【0010】

本発明によれば、複数の金属製棒状体と、複数の第１のコイルユニットと、を平行に整列配置し、その端部を電気的に直列となるように接続してインピーダンスを形成するので、整合回路を小型化、軽量化することができる。

【0011】

本発明の一態様においては、前記複数の金属製棒状体と、前記複数の第１のコイルユニットとは、相互に交換可能に配置される。
この一態様によれば、複数の金属製棒状体と、複数の第１のコイルユニットとは、相互に交換可能とされるので、インピーダンスの調整が容易となる。

【0012】

本発明の一態様においては、銅線をリング状のフェライトコアに巻き付けた第２のコイルユニットを備える。
この一態様によれば、銅線をリング状のフェライトコアに巻き付けた第２のコイルユニットで整合回路を構成するので、小型化、軽量化を満たしながら適切な構成部品で整合回路を構成することができる。

【0013】

本発明の一態様においては、前記複数の金属製棒状体と前記複数の第１のコイルユニットと前記第２のコイルユニットとを含む回路は、前記第１の受電電極側と前記第２の受電電極側とで対称に配置されている。
この一態様によれば、各構成部材による整合回路が第１の受電電極側と第２の受電電極側とで対称に配置されるので、インピーダンスを適切に整合して給電効率の低下を抑えることができる。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、給電効率を低下させることなく小型化、軽量化することが可能な、ワイヤレス給電用受電装置の整合回路を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の受電装置の整合回路が利用されるワイヤレス給電システムの概略を説明する模式図である。

【図2】本発明の実施形態に係る受電装置の整合回路の構成を示す模式的投影図である。

【図3】図２の要部の拡大斜視図である。

【図4】本発明の実施形態に係る第１のコイルユニットの構成を示す模式図である。

【図5】本発明の実施形態に係る第２のコイルユニットの構成を示す模式図である。

【図6】本発明の実施形態に係る整合回路のメアンダ形状による電気的特性を説明するモデル図である。

【図7】本発明の実施形態に係る整合回路を含むワイヤレス給電システムの等価回路である。

【図8】従来例における可変型整合回路の構造を示す図である。

【図9】従来例における整合回路の構造を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

＜ワイヤレス給電システム＞
まず、本発明が受電装置の整合回路として利用される電界結合方式によるワイヤレス給電システムについて説明する。
図１は、本発明の受電装置の整合回路が利用されるワイヤレス給電システムの概略を説明する模式図である。図に示すように、ワイヤレス給電システム１０は、送電側に、高周波電源１１、送電側整合回路１３、及び送電電極１５、を備える。受電側には、整合回路１、整流回路７、負荷９、及び受電電極１７を備える。整合回路１、整流回路７、及び負荷９は、電気自動車等の移動体３に搭載される。ここで負荷９とは、ＤＣ／ＤＣ変換機などの車載機器やバッテリーを含み、整合回路１から伝達された電力は、ＤＣ／ＤＣ変換機などを介してバッテリーに給電される。送電電極１５は、移動体３がその上を通行する道路５に設置される。受電電極１７は、送電電極１５からの電力を受け取るように、移動体３の底部に配置される。受電側、送電側のそれぞれの構成要素は、ケーブル等で接続されている。

【0017】

送電電極１５は数ｍ～数１００ｍの長さを想定している。受電電極１７は５ｍ以下の長さであり、送電電極１５上を移動するため送受電電極１５、１７間の位置が相対的に変化することを想定している。

【0018】

高周波電源１１に接続した送電電極１５には、高周波（本発明では、６．７８ＭＨｚ、１３．５６ＭＨｚを想定するが、技術的には１００ｋＨｚ程度以上の周波数であればワイヤレス給電は可能）のエネルギーが送電され、周囲に電磁界が発生する。送電電極１５に受電電極１７が対抗すると送受電電極１５、１７間の電界の作用によって非接触で電力伝送が可能となる。さらに、受電電極１７を整流回路７（高周波のエネルギーを直流に変換する装置）に接続することで移動体３のバッテリー（負荷９）などの充電が可能になる。

【0019】

送電側（道路５）および受電側（移動体３）に設けられる、整合回路１、送電側整流回路１３は、高周波電源、結合系（送電電極１５および受電電極１７）、整流回路７の伝送経路のインピーダンスを最適化する役割を持ち、無線給電の伝送効率を向上するために必須の装置である。

【0020】

＜実施形態＞
以下、添付図面を参照して、本発明によるワイヤレス給電用受電装置の整合回路について、説明する。図２は、本発明の実施形態に係る受電装置の整合回路の構成を示す模式的投影図である。図２（ａ）は、正面図、（ｂ）は、下面図、（ｃ）は、左側面図である。図３は、図２（ａ）の要部の拡大図である。図３に示すように、本実施形態に係るワイヤレス給電用受電装置の整合回路１は、第１の受電電極１７ａと第２の受電電極１７ｂとに接続して設けられる電動車両に搭載するワイヤレス給電用受電装置の整合回路１である。整合回路１は、複数の金属製棒状体１９と、複数の第１のコイルユニット２１と、第２のコイルユニット２３とを備えている。図２（ｂ）に示すように、整合回路１は、電位をグランドに設定されたシールドボックス３３内に設けられている。図２、図３では、内部の構成を説明する為に、シールドボックス３３の内部が描写されている。整合回路１は、電線３１ａ、３１ｂを入力端子として、第１の受電電極１７ａ、第２の受電電極１７ｂに接続されている。この電線３１ａ、３１ｂは、同一の長さ、同一の太さ、同一の材質の金属線であり、好適には、１０ｃｍ以下の長さである。この長さは、図２（ｂ）における、道路５（及び送電電極）と受電電極１７ａ、１７ｂとの距離、及び、受電側グランドとなるシールドボックスの底面３３ａとの距離を含む諸条件から総合的に判断して設定される。また、整合回路１は、電線３１ｃ、３１ｄを出力端子として、整流回路（図示せず）に接続されている。

【0021】

図４は、第１のコイルユニット２１の構成を示す模式図である。図に示すように、第１のコイルユニット２１は、金属芯２１ａにリング状の複数のフェライトコア２１ｂを数珠状に取り付けた構成とされている。図４では、構造を説明するため、２個のフェライトコア２１ｂが示されているが、実際は、図３に示すように、金属芯２１ａ全体を覆うようにフェライトコア２１ｂが取り付けられて、第１のコイルユニット２１を構成している。金属芯２１ａは、直径３ｃｍ以下の金属線もしくは金属パイプ（銅、アルミ、銀、金、錫、ＳＵＳ３０４など非磁性の金属）である。フェライトコアは、内径３ｃｍ以下、外径５ｃｍ以下のリング状の形状とされる。金属製棒状体１９と金属芯２１ａは、同じものであって良い。

【0022】

図３に示すとおり、複数の金属製棒状体１９と、複数の第１のコイルユニット２１とは、コイル支持体２７に支持されている。複数の金属製棒状体１９と、複数の第１のコイルユニット２１とは、長さ方向の向きを揃えて平行に整列配置され、その端部を電気的に直列となるように接続されてインピーダンスを形成している。図３では、接続板２９を介して、金属製棒状体１９間、第１のコイルユニット２１間、または金属製棒状体１９と第１のコイルユニット２１の間を電気的に接続している。図３では、複数の金属製棒状体１９と、複数の第１のコイルユニット２１とで、Ｌ１、Ｌ１、Ｌ３のインピーダンスが形成されている。ここで、複数の金属製棒状体１９と、複数の第１のコイルユニット２１とは、相互に交換可能に設けられている。インピーダンスＬ１、Ｌ１、Ｌ３の調整には、金属製棒状体１９を第１のコイルユニット２１へ、または、第１のコイルユニット２１を金属製棒状体１９へ交換することによって行うことができる。ここで、Ｌ１、Ｌ１は、左右に対称に形成されているインピーダンスである。Ｌ３は、自分自身が左右対称に形成されている。

【0023】

図３において、インピーダンスＬ１、Ｌ１の下部の第１のコイルユニット２１の一端は受電電極１７ａ、１７ｂに接続し、別の一端から直列接続が開始され８段接続している。８段のうち６段は第１のコイルユニット２１、２段は銅パイプによる金属製棒状体１９である。ここで、前述したように、第１のコイルユニット２１および金属製棒状体１９は金属からなる接続板２９で接続する。また、第１のコイルユニット２１、金属製棒状体１９、接続板２９は、コイル支持体２７に支持されながら、シールドボックス３３内に絶縁体で固定されている。受電電極１７ａ、１７ｂは、シールドボックス３３と絶縁されて碍子２５を介して固定されている。

【0024】

図５は、第２のコイルユニット２３の構成を示す模式図である。第２のコイルユニット２３は、銅線をリング状のフェライトコア２３ｂに巻き付けた構成とされている。本実施形態では、銅線として平角銅線２３ａが使用されている。本実施形態では、リング状のフェライトコア２３ｂに巻き付ける金属線の材料として銅が用いられているが、これに限定されず、銅に代えて、金、銀、錫など非磁性材料の導体であればよい。第２のコイルユニット２３は、基板２３ｃ上に、基板配線２３ｄとともに、ハンダ２３ｆで固定されている。また、第２のコイルユニット２３は、外部配線２３ｅ、２３ｅとハンダ２３ｇ、２３ｇを介して電気的に接続されている。第２のコイルユニット２３は、図３上でインピーダンスＬ２、Ｌ２を構成している。

【0025】

図３に示すように、インピーダンスＬ１、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ２、Ｌ３を含む整合回路１は、第１受電電極１９ａと第２受電電極１９ｂとに対応して、対称に配置されている。

【0026】

図３に示す、Ｌ１、Ｌ１、Ｌ３を構成する金属製棒状体１９、第１のコイルユニット２１の配置はメアンダ形状（メアンダライン）と呼ばれている。特許文献２、非特許文献１には、このようなメアンダラインにおけるインピーダンスの解析、算出方法が開示されている。図６は、このメアンダラインをモデル化した電気的特性を示す模式図である。図６（ａ）には、全体の形状モデル、図６（ｂ）には、抵抗成分と容量性リアクタンスを分離したモデル、図６（ｃ）には、誘導性リアクタンスを分離したモデルが示されている。このモデルでは、長手方向に長さＬ、横手方向に幅Ｗの寸法を有したメアンダラインを想定している。このＬとＷの寸法、及びライン間の間隙の距離ａ、ラインの幅ｂ等のパラメータから、特許文献２、非特許文献１に記載の方法を用いて、図６（ｂ）に示す抵抗成分と容量性リアクタンスの成分、及び図６（ｃ）に示す誘導性リアクタンスの成分を導出することができる。

【0027】

実際、本実施形態では、以下の要素をパラメータにして、受電側整合回路を構築することによって誘導性リアクタンスＸ_Ｌを調整する。
（１）第１のコイルユニット２１に利用する金属線もしくは金属パイプの径ａ［ｍｍ］
（２）フェライトコアの材質および形状（主に内径と外径）
（３）フェライトコアの接続数
（４）金属線もしくは金属パイプ、第１のコイルユニット２１の長さＷ［ｍｍ］
（５）金属線もしくは金属パイプ、第１のコイルユニット２１の接続数ｎ（メアンダ形状の段数と接続する比率）
（６）金属線もしくは金属パイプ、第１のコイルユニット２１の各段の間隔ｂ［ｍｍ］
（７）ａ［ｍｍ］、ｂ［ｍｍ］および接続数ｎによって決定する長さＬ

【0028】

図７は、ワイヤレス給電システム１０の全体の構成を示す等価回路である。送電側には、高周波電源１１、送電側整合回路１３、第１の送電電極１５ａ、第２の送電電極１５ｂが配置されている。受電側には、第１の送電電極１５ａ、第２の送電電極１５ｂに対向して配置される、第１の受電電極１７ａ、第２の受電電極１７ｂ、及び、整合回路１、整流回路７、負荷９が配置されている。図３におけるＬ１、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ２、Ｌ３を含む等価回路が図７において、整合回路１として示されている。ここで、Ｃは、メアンダラインの解析から算出されたライン間の寄生容量である。本実施形態では、特にキャパシタンスユニットは、設けていないが、必要に応じて追加配置してもよい。

【0029】

以上述べたように、本実施形態におけるワイヤレス給電用受電装置の整合回路１は、複数の金属製棒状体１９と、金属芯２１ａにリング状の複数のフェライトコア２１ｂを数珠状に取り付けた複数の第１のコイルユニット２１と、を備え、複数の金属製棒状体１９と、複数の第１のコイルユニット２１とは、メアンダ形状に配置されてインピーダンスを形成する。また、インダクタンスを構成する平角銅線２３ａをリング状のフェライトコア２３ｂに巻き付けた第２のコイルユニット２３も共に用いるため、インダクタンスを含むインピーダンスのユニットとして薄型化、小型化、軽量化が可能となる。

【0030】

図８に、従来例における可変型整合回路１００の構造を、図９に従来例における整合回路１１０の構造を示す。図に示すとおり、従来例では、インダクタンスを構成するコイルＬは、金属線および金属パイプをソレノイド形状に巻いたコイルを用い、所望のインダクタンスを得ている。これらのコイルはソレノイド形状であるため、大きな厚みが必要になる。本発明においては、このようなコイルＬは用いず、複数の金属製棒状体１９と、複数の第１のコイルユニット２１、及び第２のコイルユニット２３によってインダクタンスを得るので、薄型化が可能となる。インダクタンスの部材が薄型化することに伴い、電源装置も薄型化する。これにより移動体の底部への取り付けが容易となる。したがって、所望の回路定数の部材を使用して、給電効率を低下させることなく小型化、軽量化することが可能な、ワイヤレス給電用受電装置の整合回路を提供することができる。

【0031】

金属製棒状体１９と、第１のコイルユニット２１とは、相互に交換可能に設けられているので、それらを交換することによって、インピーダンスの調整が容易である。また、複数の金属製棒状体１９と複数の第１のコイルユニット２１と第２のコイルユニット２３とを含む回路は、第１の受電電極１９ａ側と第２の受電電極１９ｂ側とで対称に配置されているので、整合回路として、給電効率の低下を極力抑えた構成を実現している。また、インダクタンスとして利用される第１のコイルユニット２１、第２のコイルユニット２３は、図８、図９に示すコイルＬのように、金属線および金属パイプを螺旋状に加工する必要がないので、製造が容易で有り、かつ複雑な形状を有しないので、精度良く同じ寸法に構成が可能となる。そのため、対称性の向上に寄与することが可能である。

【0032】

本実施形態では、整合回路１として、Ｌ１、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ２、Ｌ３のユニットを用いた回路を使用したが、これに限定されることなく、金属製棒状体１９、第１のコイルユニット２１、第２のコイルユニット２３を用いて、他の回路構成を実現してよい。したがって、これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更したりすることが可能である。

【符号の説明】

【0033】

１ ワイヤレス給電用受電装置の整合回路
１７ａ 第１の受電電極
１７ｂ 第２の受電電極
１９ 金属製棒状体
２１ 第１のコイルユニット
２１ａ 金属芯
２１ｂ フェライトコア
２３ 第２のコイルユニット
２３ａ 銅線（平角銅線）
２３ｂ リング状のフェライトコア

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】